节能廉价钨丝圈炉空阴极灯多元素测定原子吸收光度计

节能廉价钨丝圈炉空阴极灯多元素测定原子吸收光度计

使用钨丝圈炉组建节能廉价钨丝圈炉空阴极灯多元素测定原子吸收光度计。 本发明设计指导思想是本发明者提出的专利“无标准分析用固定金属钨或钽平 台石墨路原子吸收光度计”(申请号200710097221.5，申请日2007年4月29日) “无标准分析用横向加热石墨炉恒磁场塞曼原子吸收光度计”(申请号 200710097221.X，申请日2007年4月29日)“固定金属钨或钽平台石墨管新制 造方法”(申请号200810093774.8，申请日2008年4月21日)“带永久基体改 进剂的金属钨或钽平台石墨管的制作方法”(申请号200810134853.9，申请日 2008年8月4日)。使用这些专利后，无需建立标准曲线可直接分析测定复杂液 体或固体中待测元素含量和浓度，摆脱通常无机方析经常使用的费时，困难繁 琐的溶样，分离和测定步骤，还可摆脱相应带入的试剂空白和提纯试剂需要的 费时繁琐步骤。每一台以器还可同时用为标准计量仪器，如重量法中天平，容 的量法中各种容量计量仪器。还同时有类似数量品种繁杂的标准样品的功能， 作为标准传递工具。但是用基于end cap THGA WTaPGT石墨炉耗电量高达5KW， 石墨炉电源体积大，不利于仪器小型化，和野外操作。End cap石墨管价格昂贵， PE公司一根为150美元，德国Jena公司一根为100美元。为了节电和廉价，首 先想到是用金属钨或钽平台石墨管(WTaPGT)中去掉石墨管，只留其中的钨丝钽 片平台管。从1982年捷克Laboratory Instruments公司生产的WETA82钨片圈 炉，耗电高达2.7KW，到1990年生产的WETA90耗电14V2500A 35KW 0.56s，可知 直接加热钨丝钽片圈炉不能节电，可能耗电更大。为此想到进一步去掉钽片圈， 直接加热钨丝圈。1986年本发明者在美国Virginia大学Harrison教授处作为 访问学者从事电热原子化(ETV)在质谱(MS)中应用，因石墨炉太庞大，因此设计 小巧节能廉价的钨丝圈炉，耗电仅25V 40A 1KW，结合Harrison教授专长辉光放 电(GD)MS，组建GD钨丝圈炉光源用于发射光谱，离子源用于MS。Harrison教授 于1991年XXVIICSI国际光谱大会于Norway Bergan在作大会四个联合大报告 之一的GDMS，RIMS报告中介绍本发明者于1986年提出的GD钨丝圈炉光源和离 子源。下面将详细介绍节能廉价钨丝圈空阴极灯多元素测定原子吸收光度计。

本发明涉及节能廉价钨丝圈空阴极灯多元素测定原子吸收光度计。

本发明包括(一)两端带帽(end cap)钨丝圈的制作。

和使用钢模具见图1，进样孔钢模具(1)为30°角锥形棒，进样孔内径1.6mm， 插在直径6mm钢棒(2)中央。在钢模具绕上直径0.5mm钨丝40圈，钨丝圈 两端留有40mm长钨丝，在安装时穿过石墨环和水冷套绕在接线柱上(图3)。 钨丝圈两端套上end cap热解石墨帽，0.5mm厚，帽内径7mm长2mm正好套 上钨丝圈，帽环内径4mm，见图2。制好的钨丝圈按本发明者提出的专利“固 定金属钨或钽平台石墨管新制造方法”(申请号200810093774.8，申请日2008 年4月21日)，加工0.02-0.1mm厚度热解石墨镀层。但厚镀层增加能量消耗， 控制在能耗不超过25V60A即1500W。再用本发明者提出的专利“带永久基体 改进剂的金属钨或钽平台石墨管的制作方法”(申请号200810134853.9，申请日 2008年8月4日)，在有热解石墨镀层end cap钨丝圈上加3mgIr+3mgZr或 3mgRu+3mgZr为永久基体改进剂。用钨丝圈代替石墨管可以节能和廉价，但由 于高温时没有石墨管中 碳的还原气氛，其后果是待测元素由于在原子化时生成 MX分子，使原子化效率大幅度下降，基体效应增大，X可为O，Cl，S，F，Br，I，CN，C₂， 等。基体产生的分子吸收和背景吸收增加，即M(基体)X增加，以及PO，SO，CN，C₂等增加，特别是固体悬浮物的直接进样分析，分子和背景吸收大到3.0，用塞曼 扣背景也很难扣除。因此在钨丝圈炉中没有碳的还原气氛条件下，解决办法只 有靠在氩气中外加10％氢气。这在商品钨片炉中就已广泛使用，例如测钴时， 用10％氢气在氩气中比无氢气原子化效率高70倍以上。因此在用钨丝圈炉时 10％氢气使用是必要的。氢气制备和产生可用电解稀硫酸水液，阴极和阳极各用 阴离子交换膜和阳离子交换膜隔开。按法拉第定理，2库伦即2安1秒可产生 22.4升氢气，1分钟10％氢气为0.2l/min(0.0033l/s)，因此电解用电是很低的。将 氩气通过氢气电解槽，控制电量就可得到含10％氢气的氩气。

(二)横向塞曼end cap钨丝圈炉体结构。

炉体结构和本发明者提出的专利“无标准分析用横向加热石墨炉横磁场塞曼原 子吸收光度计”(申请号200710097222.X，申请日2007年4月29日)相似。end cap钨丝圈(1)两端套上3mm宽1mm厚绝缘环(18)，环由氧化锆粉在感应炉 中烧结制成。钨丝圈两端40mm钨丝穿过石墨环(3)和水冷套(6)连接在接 线柱(17)和大电流联结片(16)最后和25V60A1500W变压器连接。上水冷套 两端各有一个石英窗(7)，进样口(2)以便进样。下水冷套中央有氩外气管(10)， 两旁各有一个氩内气管(9)，在原子化时停气。紧贴11mm间隙永久磁铁(8) 前后各一片17,5×17.5×0.4mm热解石墨片(4)插在下石墨环，与上石墨环保持 0.5mm间隙。永久磁铁(8)裹一层聚四氟乙烯绝缘层(5)，上下水冷套交接处 贴有聚四氟乙烯绝缘层(5)。上下水套各有进出水管(10)。上下水套都按装在 工程尼龙20mm厚板底座(16)上。用拧紧螺丝(14)固定在底座(16)上。 上水冷套在固定螺丝上按有弹簧(15)。

用节能廉价end cap钨丝圈炉代替已广泛应用的end cap THGA石墨炉面临许多 新问题，即使用加10％氢气的氩气，能否保证原子化效率达到1.00。这有待实 验证明。钨丝圈炉的圈之间的扩散丢失大于end cap THGA石墨炉，10％氢气于 氩气扩散丢失也大于氩气的扩散丢失。因此在使用无标准分析时，原先适用于 end cap THGA石墨炉的m₀cal，m₀exp^*值已不适用于钨丝圈炉，需要重新求出适 合于钨丝圈炉的62个元素在不同原子化温度时的m₀cal，m₀exp^*值，即新表一。 有了新表一，就可以用本发明者提出的专利“塞曼扣背景石墨炉原子吸收光度 计无标准分析用软件”(申请号200810093773.3，申请日2008年4月21日)。

(三)空阴极灯多元素测定原子吸收光度计(见附图6)。

将62个石墨炉法能测定元素分别组成数个复合多元素空阴极灯，如16个稀土 和铀组成的复合空阴极灯，Al.Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Mo，V，Ti，B，Si复合灯，Cu，Ag， Au，Pd，Pt，Rh，Ru，Ir，Os复合灯，Li，Na，K，Rb，Cs，Be，Mg，Ca， Sr，Ba复合灯，Zn，Cd，Hg，Ga，In，Tl，Ge，Sn，Pb，P，As，Sb，Bi，Se， Te复合灯，数个复合灯用凹面全息光栅反射集中成62个元素的一束光进入洛匈 棱镜，用恒磁场塞曼扣背景，再进入钨丝圈炉，用透镜聚焦进入美国StellarNet Inc.公司商品EPP2000C型UV-VIS Portable CCD Spectrometer 2，09年售价仅 2750美元，配上1500美元Spectra Wiz R Spectral-ID elemental database for OEP Spectro软件，配上155美元EPP-PCMCIA Portable  Spectro Interface card LPT2 for notebook computer 3(售价低于500美元)。见附图6。佩上微软免费Excel 软件，每秒可扫描190-850nm光谱1000次，可绘出62个元素原子吸收在原子 化期间吸收值对时间图，测得峰值和积分值。

2.按照权利要求1所述；

End cap钨丝圈炉耗电只要1.5KW，接近家用电炉的1KW，而end cap THGA石墨 炉耗电高达5KW，因此end cap钨丝圈炉属于节能型仪器，便于野外操作和仪 器小型化。End cap THGA石墨管价格贵，PE公司一根为150美元，德国Jena 公司一根为100美元。而end cap钨丝圈炉原料为钨丝，是家用电灯泡主要原料， 其价格仅1美元上下，因此属廉价型仪器。

3，按权利要求1所述；

End cap钨丝圈炉其基础是本发明者提出的专利“无标准分析用固定金属钨或钽 平台石墨炉原子吸收光度计”(申请号200710097221.5，申请日2007年4月29 日)“无标准分析用横向加热石墨炉恒磁场塞曼原子吸收光度计”(申请号 200710097222.X，申请日2007年4月29日)，“固定金属钨或钽平台石墨管新 制造方法”(申请号200810093774.8，申请日2008年4月21日)“带永久基体 改进剂的金属钨或钽平台石墨管的制作方法”(申请号200810134853.9，申请日 2008年8月4日)。在实验重新测定end cap钨丝圈炉塞曼原子吸收光度计中62 个元素在不同原子化温度时的m₀cal，m₀exp^*值，制作新表1。在用6个标准溶液 标定出校正系数K，弯曲系数β和标准曲线反转时的Q_A值(A_r值)无需建立标 准曲线可直接分析测定复杂液体或固体中待测元素含量和浓度，摆脱通常无机 分析经常使用的费时，困难繁琐的溶样，分离和测定步骤，还可摆脱相应带入 的试剂空白和提纯试剂需要的繁琐费时步骤。每一台仪器还可同时用为标准计 量仪器，如重量法中天平，容量法中各种容量计量器具。还同时有类似数量品 种繁杂的标准样品的功能，作为标准传递工具。

4，按权利要求1所述；

目前在多元素测定低含量领域，仅有少数高价位仪器；(1)ICP-AES光量计， 约5-10万美元，但测定环保有害元素如Pb，Cd，As，Hg，Sb，Bi.Sn，Tl，Se，Te等元素 灵敏度差2-3个数量级。因此仅限于测定高含量元素，低含量用石墨炉法补充， 但只限于单元素测定。(2)ICP-MS质谱仪可同时测定上述环保有害杂质及含量 高的元素。灵敏度和石墨炉法相近，但价位高约20万美元以上。(3)中子活化 法灵敏度和石墨炉法，ICP-MS法相近，可同时多元素测定，但价位更高。本仪 器用节能廉价钨丝圈炉和钨丝圈，洛匈棱镜和恒磁场塞曼扣背景装置，配上美 国StellarNet公司EPP2000C UV-VIS CCD Portable Spestrometer及其附属软件， 体积仅69×100×150mm，耗电为5V100mA，配上笔记本电脑，09年售价低于6 千美元，整台仪器小巧轻便，价位较低。

附图说明

1；图1为绕制钨丝圈用的模具图；(1)进样孔模具棒。(2)绕钨丝圈的模具棒。 (3)钨丝圈。

2；图2为end cap钨丝圈图；(1)进样孔。(2)end cap热解石墨帽环。(3) 钨丝圈。

3；图3和摘要附图为钨丝圈炉体结构(X-Z截面)示意图(1)end cap钨丝圈。 (2)进样口。(3)石墨环。(4)热解石墨片。(5)绝缘层。(6)水冷套。(7) 石英窗。(8)磁铁。(9)内氩气管。(10)外氩气管。(11)水管。(12)底板。 (13)固定螺丝。(14)拧紧螺丝帽。(15)弹簧。(16)大电流联接片。(17) 钨丝联结柱用螺帽拧紧。(18)氧化锆绝缘环。

4；图4为钨丝圈炉体结构(X-Y截面)示意图(1)end cap钨丝圈。(2)进 样口。(3)石墨环。(4)热解石墨片。(5)绝缘层。(6)水冷套。(7)石英窗。 (8)磁铁。(11)水管。

5；图5为钨丝圈炉体结构(Y-Z截面)示意图；(1)end cap钨丝圈。(2)进 样口。(4)热解石墨片。(5)绝缘层。(6)水冷套。(8)磁铁。(9)内氩气管。

6；图6为节能廉价钨丝圈炉空阴极灯多元素测定原子吸收光度计的结构图；(1) 钨丝圈炉。(2)美国StellarNet Inc.公司商品EPP2000C型UV-VIS Portable CCD Spectrometer，配上Spectra Wiz R Spectral-ID elemental database for OEP软件，配上EPP-PCMIA Portable Spectro Interface card LPT2。(3) 笔记本电脑配上微软免费Excel软件。(4)数个复合多元素空阴极灯。(5)洛 匈棱镜。(6)凹面反射镜。(7)凹面反射全息光栅。(8)光阑。

附图说明

1；图1为绕制钨丝圈用的模具图；(1)进样孔模具棒。(2)绕钨丝圈的模具棒。 (3)钨丝圈。

2；图2为end cap钨丝圈图；(1)进样孔。(2)end cap热解石墨帽环。(3) 钨丝圈。

3；图3和摘要附图为钨丝圈炉体结构(X-Z截面)示意图；(1)end cap钨丝圈。 (2)进样口。(3)石墨环。(4)热解石墨片。(5)绝缘层。(6)水冷套。(7) 石英窗。(8)磁铁。(9)内氩气管。(10)外氩气管。(11)水管。(12)底板。 (13)固定螺丝。(14)拧紧螺丝帽。(15)弹簧。(16)大电流联接片。(17) 钨丝联结柱用螺帽拧紧。(18)氧化锆绝缘环。

4；图4为钨丝圈炉体结构(X-Y截面)示意图；(1)end cap钨丝圈。(2)进 样口。(3)石墨环。(4)热解石墨片。(5)绝缘层。(6)水冷套。(7)石英窗。 (8)磁铁。(11)水管。

5；图5为钨丝圈炉体结构(Y-Z截面)示意图；(1)end cap钨丝圈。(2)进 样口。(4)热解石墨片。(5)绝缘层。(6)水冷套。(8)磁铁。(9)内氩气管。

6；图6为节能廉价钨丝圈炉空阴极灯多元素测定原子吸收光度计的结构图；(1) 钨丝圈炉。(2)美国StellarNet Inc.公司商品EPP2000C型UV-VIS Portable CCD Spectrometer，配上Spectra Wiz R Spectral-ID elemental database for OEP软件，配上EPP-PCMIA Portable Spectro Interface card LPT2。(3) 笔记本电脑配上微软免费Excel软件。(4)数个复合多元素空阴极灯。(5)洛 匈棱镜。(6)凹面反射镜。(7)凹面反射全息光栅。(8)光阑。